基于MLX90614的无线温度采集系统设计

２０１５年第３４卷第３期　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）８７　ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－－９７８７（２０１５）０３－００８７－－０３　基于ＭＬＸ９０６１４的无线温度采集系统设计　钟君，蔡黎明，于涌　（中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州２１５１６３）　摘　要：在医疗设备研发制造等领域，为了实现人体体温附近范围内高精度的温度测量，设计了一种基于　低功耗单片机ＭＳＰ４３０、非接触式红外温度传感器ＭＬＸ９０６１４以及蓝牙传输技术的无线温度监控系统，采　集发送模块以超低功耗单片机ＭＳＰ４３０为控制核心，通过ＳＭＢｕｓ协议读取ＭＬＸ９０６１４所采集到的目标温　度值，利用蓝牙透传模块将数据上传。ＭＳＰ４３０单片机的使用极大地降低了系统功耗，ＭＬＸ９０６１４非接触　测量方式满足了医疗设备研发污染隔离的特殊需求，具有较高的测量分辨率和精度，蓝牙透传模块的使用　使得系统易于实现数字化、网络化和集散化管理。实验表明：该系统在３２－４２℃温度范围内，测量精度达　±０．２　ｏＣ，并实现了测量结果的无线传输，在医疗设备研制领域有广泛的应用前景。　关键词：ＭＬＸ９０６１４；红外温度采集；ＳＭＢｕｓ；蓝牙　中图分类号：ＴＨ８１１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－－９７８７（２０１５）０３－００８７－－０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＬＸ９０６１４　ＺＨＯＮＧ　Ｊｕｎ，ＣＡＩ　Ｌｉ—ｍｉｎｇ，ＹＵ　Ｙｏｎｇ　（Ｓｕｚｈｏｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，　Ｓｕｚｈｏｕ　２１５１６３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ＭＣＵ　ＭＳＰ４３０　ａｎｄ　ｎｏｎ—　ｃｏｎｔａｃｔ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ＭＬＸ９０６１４　ａｎｄ　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｍｏｄｕｌｅ，ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ　ｒｅａｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄａｔａ　ｆｒｏｍ　ＭＬＸ９０６１４　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ＳＭＢｕｓ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｕｓａｇｅ　ｏｆ　ＭＳＰ４３０　ａｓ　ｃｏｒｅ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｈ　ｉｓ　ｓｅｎｔ　ｂｙ　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｙｅｄ　ｂｙ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｍｏｄｕｌｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ＬＣＤ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｕｓａｇｅ　ｏｆ　ＭＣＵ　ＭＳＰ４３０．Ｉｎ　ｔｈｅ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｓｐｅｃｉａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅａｃｈｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｈｅｌｐ　ｏｆ　ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ　ＭＬＸ９０６１４，　ｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，ｄｉｓｔｉｂｕｔｉｒｏｎ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｅａｓｉｌｙ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｕｓａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌ　ｒｅｓｕｌｔｓａ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃａｎ　ｒｅａｃｈ－４－０．２℃ｉｎ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　３２—４２℃ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｉｔ　ｈａｓ　ｗｉｄｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｉｎ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｄｅｖｉｃｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｆｉｅｌｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭＬＸ９０６１４；ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＳＭＢｕｓ；Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　０引　言　置结构复杂。ＤＳ１８Ｂ２０等数字式温度采集方式　．４　虽然具　温度监控系统在工业生产、现代农业、智能家居以及医　疗保健行业都有广泛的应用　Ｊ，尤其是在医疗设备研制　领域，非接触、精度高、响应快且可无线传输的数字化温度　监控系统，能够为提高医疗设备的性能指标提供有效依据。　有集成度高、数据采集方便等优点，但是精度较低，且与铂　电阻器测温等方式同属于接触式测量，在医疗设备研制的　某些特殊领域，无法达到污染隔离的要求。　本文测温系统采用超低功耗ＭＳＰ４３０单片机作为控制　目前，温度监控系统仍主要采用基于热电阻或热电偶　的模拟方式和基于集成电路的数字式，模拟测量方式技术　核心　，利用红外温度传感器ＭＬＸ９０６１４完成温度采集　，　并通过蓝牙技术实现收发模块的无线数据传输”　，该方　式具有测量精度高、响应速度快、系统集成度高和无线传输　成熟，但响应速度慢，需要专用电路进行信号调理，使得装　收稿日期：２０１４－０８－１９　基金项目：国家重大科研装备研制项目（ＺＤＹＺ２０１３—１）　第３期　钟君，等：基于ＭＬＸ９０６１４的无线温度采集系统设计　ｓｌａｖｅ８９　的串口０与其通信，该模块能够实现ＵＡＲＴ串口与蓝牙串　口之间的数据透明传输。　３．４液晶显示模块　ａｃｋ（）；　ｓｔａｒｔ＿ｂｉｔ（）；　ｔｘｂｙｔｅ（ＯｘＯ１）；／／发送读地址数据指令　—接收显示子系统中选用了一种基于ＨＴ１６２１的段式　ＬＣＤ显示模块０１７３，３．３Ｖ电压供电，利用ＭＳＰ４３０Ｆ４４９的　ｓｌａｖｅａｃｋ（）；　—ＤａｔａＬ＝ｒＸｂｙｔｅ（）；／／高字节接收　Ｐ１．０，Ｐ１．１和Ｐ１．２普通１０端口与ＣＳ，ＷＲ和ＤＡＤＡ引脚　相连，通过模拟ＳＰＩ通信，将需要显示信息按一定数据格式　Ｓｅｎｄ—ｂｉｔ（０）；　ＤａｔａＨ＝ｒｘｂｙｔｅ（）；／／低字节接收　传输到０１７３显示模块的指定地址内存。　４系统软件设计　数字式红外温度传感器ＭＬＸ９０６１４虽然集成度高，简　化了硬件电路设计要求，但其所采用的二线制ＳＭＢｕｓ协议　对合理的逻辑时序提出了较高的要求　ｊ。　４．１　ＳＭＢｕｓ协议　ＳＭＢｕｓ是一种二线串行协议，对应的引脚为ＳＤＡ和　ＳＣＬ，ＳＤＡ兼有数字输入输出功能，ＳＣＬ是数字输入，用作　通信时钟信号，ＳＭＢｕｓ协议允许主控制器与一个或是一个　以上的从动器件通信。　ＭＬＸ９０６１４作为从动器件，其数据通信格式如图３和　图４所示，图中阴影部分表示数据传输方向为从器件到主　器件，白色部分表示从主器件到从器件。其中：Ｓ为起始位　（１ｂ）；Ｓｌａｖｅ　Ａｄｄｒｅｓｓ为从器件地址（７ｂ）；Ｗｒ为写标志（１ｂ，　０表示“写”）；Ｒｄ为读标志（１ｂ，１表示“读”）；Ａ为应答位　（１ｂ）；Ｃｏｍｍａｎｄ为命令字节（８ｂ）；Ｓｒ为重复起始位（１ｂ）；　ＰＥＣ为校验数据包（８ｂ）；Ｐ为停止位（１ｂ）。　１　７　１　１　８　１　…臣　叵　匦　亘二】豇二　互二圈　图４　ＳＭＢｕｓ写入数据格式　Ｆｉｇ　４　Ｗｒｉｔｅ　ｄａｔａｆｏｒｍａｔ　ｏｆＳＭＢｕｓ　ＭＬＸ９０６１４　ＳＭＢｕｓ时钟的最大频率为１００　ｋＨｚ，最小为　１０ｋＨｚ，ＳＤＡ的数据必须在ＳＣＬ为低时改变。在ＳＣＬ的上　升沿，ＭＤ和ＳＤ的数据被读出，在ＳＣＬ为低电平的中间时　刻改变数据。　４．２温度采集程序　以下为读取温度数据值的程序段，并对程序做简要说　明：　ｓｔａｒｔ．ｂｉｔ（）；／／起始位　ｔｘｂｙｔｅ（０ｘ００）；∥发送地址　ｓｌａｖｅ＿ａｃｋ（）；／／应答处理　ｔｘ—ｂｙｔｅ（Ｏｘ０７）；／／发送命令　Ｓｅｎｄｂｉｔ（０）；　Ｐｅｃｒｅｇ＝ｒｘｂｙｔｅ（）；／／接收校验字节　ＳｅｔＶＭｕｅ（ａｒｔ）；∥校验数据数组赋值　Ｐｅｃｒｅｇ＝ＰＥＣｃａｌ（ａｉｒ，６）；／／ＣＲＣ计算　ＰｅｃＰｒｏｃｅｓｓ（）；／／校验处理　ｓｔｏｐ＿ｂｉｔ（）；　ｒｅｔｕｒｎ（ＤａｔａＨ％２５６＋ＤａｔａＬ）；／／返回结果　５实验测试　采用高精度水银温度计与该测温系统对同一个保温杯　内的水温进行测量，并根据水银温度计的值将水温控制在　３２－４２　ｏＣ之间，在实验进行时将外房实验室的温度控制在　设定温度附近。为了减小热交换产生的长期温度漂移影　响，每次测量时间间隔不宜过长，本文实验中间隔为５　Ｓ。　用水银温度计将水温标定在３５℃和３８℃，图５和图６　分别是该测温系统的实测曲线，从以上数据可以看出：　ＭＬＸ９０６１４ＤＡＡ的测温精度能达到－＋０．２℃。但值得注意　的是在测温时，探头的前端要尽量靠近被测对象，保持在　１－２　ｃｍ的范围内。如果超出２　ａｍ，显示的温度值将快速递　减；当距离扩大到６０　ａｍ以上时，所测值趋近气温　。考　虑到在测低温物体的表面温度时，可以人为控制测温的距　离，因此，基本符合要求。　＼　越　赠　图５　３５℃测量数据　Ｆｉｇ　５　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｄａｔａｓ　ａｔ　３５℃　３８．１５　３８．Ｏ５　＼　３７．９５　赠　３７．８５　３７．７５　１　２　３　４　５　６　７　８　测量次数　图６　３８℃测量数据　Ｆｉｇ　６　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｄａｍｓ　ａｔ　３８　ｏＣ　（下转第９３页）　第３期　徐景，等：基于氮氧传感器的ＮＯ　气体测量仪设计　９３　全把ＮＯ　转换为ＮＯ比较困难。因此，ＮＯ　气体中ＮＯ　的　能力强，便于工业燃烧环境中ＮＯ　气体的监测，实现了车用　占有量越小，该测量仪的测量误差越小。　传感器向工业现场的应用移植。　实验对配置有２％Ｏ　的气氛，还模拟了温度对ＮＯ　测　参考文献：　量仪性能的影响Ｏ表３为测量仪在不同温度下，同一ＮＯ　［１］刘军，冯艳君，刘中军．基于化学发光法检测法的氮氧化物　气体的测量值。从表３可以看出：温度在３５０，５００，７５０　ｏＣ，　气体分析仪［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００８（３）：８３－８４．　随着气体温度的升高，对于每一个确定的ＮＯ　气体体积分　［２］　向继文，陈依民，徐成志，等．声表面ＮＯ２传感器敏感膜研究　数，该测量仪的测量值减小。计算可得在３５０，５００，７５０　ｏｃ，　进展［Ｊ］．传感器与微系统，２０１２，３１（９）：１－－１３．　［３］Ｐａｒｋ　Ｃ　Ｏ，Ｆｅｒｇｕｓ　Ｊ　Ｗ，Ｍｉｕｒａ　Ｎ，ｅｔ　ａ１．Ｓｏｌｉｄ—ｓｔａｔｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　最大相对误差分别为４．６％，５．４％，６．５％，测量误差相应　ｇａｓ　ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｉｏｎｉｃｓ，２００９，１５（３）：２６１－－２８４．　增大，但总体受温度影响较小。　［４］　Ｓｅｒｇｅ　Ｚｈｕｉｙｋｏｖ，Ｎｏｆｉｏ　Ｍｉｕｒａ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｚｉｒｃｏｎｉａ—ｂａｓｅｄ　ｐｏ－　表３不同温度下同一ＮＯ　气体体积分数的测量值（２％Ｏ２）　ｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃ　ＮＯ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｆｏｒ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　ｉｎ　Ｔａｂ　３　Ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｉｄｅｎｔｉｃａｌ　ＮＯ　ｇａｓ　ｖｏｌｕｍｅ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｔｈｅ　ｅａｒｌｙ　２１　ｓｔ　ｃｅｎｔｕｒｙ：Ｗｈａｔ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｆｏｒ　ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．　ａｔ　ｄｉｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒｕｒｅ（２％Ｏ２）　Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ：Ｂ，２００７，１２（１）：６３９－－６５１．　ＮＯ　气体体积分数　ＮＯ　气体体积分数测量值（１０　）　［５］　简家文，叶锡恩，许艳梅．ＣＯ２气氛中界限电流型氧传感器输　（１０—　）　３５０℃　５００℃　７５０℃　出特性的研究［Ｊ］．传感技术学报，２００７，２０（５）：９６１－－９６４．　［６］李硕，谢建军，柳润琴，等．基于氧传感器基础上高温湿度　测量仪的研发［Ｊ］．电子测量技术，２０１４，２７（２）：９５－１０４．　［７］　朱小龙．基于ＳＡＥ１９３９标准的ＣＡＮ通信网络在汽车动力传　动系统中的应用［Ｊ］．重庆理工大学学报：自然科学版，２０１３，　２７（３）：１６－－２１．　［８］王锦坚，洪添胜．基于ＳＡＥ　Ｊ１９３９协议的客车ＣＡＮ总线发动机　测试系统［Ｊ］．工业控制计算机，２００９，２２（４）：８２－－８４．　［９］　李然，武俊峰，王海英，等．电动公交客车ＣＡＮ总线网络通　５结论　信结构的设计［Ｊ］．哈尔滨理工大学学报，２０１２，１７（１）：６８—　采用应用于汽车尾气处理上的ＵｎｉＮＯ　传感器，设计了　７３．　一种用于工业燃烧环境的ＮＯ　气体测量仪。结果表明：该　［１Ｏ］李宏梅，佟为明，程树康．ＣＡＮ总线全数字式汽车仪表［Ｊ］．电　测量仪的软硬件设计稳定可靠，可用于温度在０—７５０℃、范　子器件，２０１０，３３（５）：６４６－－６５０．　围为（０～１０００）×１０　的不同ＮＯ　气体体积分数测量，测量　作者简介：　误差控制在５．７％以内，受温度影响较小。另外，通过ＣＡＮ　徐景（１９８９一），男，安徽安庆人，硕士研究生，主要研究方向　总线传输方式，数据传输速度快，传输距离远，并且抗干扰　为气体传感器信号处理与仪器仪表设计。　＼　、　）　（上接第８９页）　［４］　张军，陈慧丽．基于ＭＳＰ４３０单片机和ＤＳ１８Ｂ２０的数字温　６结束语　度计［Ｊ］．电子设计工程，２０１０，１８（１１）：１０６－－１０９．　本文设计了一个基于红外温度传感器ＭＬＸ９０６１４的无　［５］　王玲，王中训，王恒．基于ＭＳＰ４３０单片机的多路无线温　线温度采集系统，采用超低功耗ＭＳＰ４３０单片机作为控制　度检测系统［Ｊ］．现代电子技术，２０１１，３４（１）：１２５－１２７，１３２．　核心，并通过蓝牙透传模块进行无线通信，该温度采集系统　［６］夏候凯顺，曾宪金，胡立坤，等．基于ＭＬＸ９０６１４和Ｚｉｇ　Ｂｅｅ技　具有非接触、响应快和精度高等特点，实验表明：在人体体　术的体温实时监控系统的设计［Ｊ］．自动化与仪表，　２０１１（１１）：２３－－２６．　温３２～４２℃附近范围内，测量精度达±０．２℃，但在使用时　［７］陈平，陈彦．基于蓝牙技术的温度数据采集系统［Ｊ］．仪　还需要根据特定的环境进行改善，这样就能克服传感器对　表技术与传感器，２００５（１１）：４Ｏ一４２．　测量环境要求高的弊端，对医疗设备研制具有十分重要的　［８］何文广，李伟，孙彬彬，等．蓝牙温度采集监测系统的设计　意义。　与实现［Ｊ］．黑龙江工程学院学报，２０１３，２７（３）：５３－－５７．　参考文献：　［９］沙春芳．红外温度计ＭＬＸ９０６１４及其应用［Ｊ］．现代电子技　［１］张宇宁，周颖．ＤＳ１８Ｂ２０数字式温度测量装置的研究［Ｊ］．　术，２００７（２２）：３６－－３７，４０．　机械工程与自动化，２０１２（４）：１４９－－１５１．　［１Ｏ］张日欣．基于ＭＬＸ９０６１４的非接触式体温测量系统设计［Ｊ］．　［２］　张海传，吴晨霞，许东卫，等．低功耗轴承温度无线检测系统　软件导刊，２００９，８（３）：１０５－－１０７．　的设计［Ｊ］．电子技术应用，２００９，３５（１０）：９６－９８，１０２．　作者简介：　［３］　汤锴杰，栗灿，王迪，等．基于ＤＳ１８Ｂ２０的数字式温度采　钟君（１９８４一），男，江苏溧阳人，工学硕士，助理研究员，研　集报警系统设［Ｊ］．传感器与微系统，２０１４，３３（３）：９９－－１０２．　究方向为体外循环生命支持系统、微位移定位系统等。